تحلیل اقدامات محافظت از برق در ترانسформاتورهای توزیع

تحلیل اقدامات حفاظتی در برابر صاعقه برای ترانسفورماتورهای توزیع

برای جلوگیری از نفوذ ضربه‌های ناشی از صاعقه و اطمینان از عملکرد ایمن ترانسفورماتورهای توزیع، این مقاله اقدامات حفاظتی قابل اجرا را ارائه می‌دهد که می‌توانند به طور مؤثر توان مقاومت در برابر صاعقه آنها را افزایش دهند.

1. اقدامات حفاظتی در برابر صاعقه برای ترانسفورماتورهای توزیع

1.1 نصب بازوک‌های سورج در سمت فشار قوی (HV) ترانسفورماتور توزیع.
مطابق SDJ7–79 مقررات فنی طراحی حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر اضافه ولتاژ: "به طور کلی باید سمت فشار قوی ترانسفورماتور توزیع توسط بازوک‌های سورج محافظت شود. هادی زمین بازوک، نقطه نوترال سیم‌پیچ فشار ضعیف (LV)، و مخزن ترانسفورماتور باید به هم متصل شده و به زمین وصل گردند." این پیکربندی همچنین در DL/T620–1997 حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و هماهنگی عایق‌بندی برای نصب‌های الکتریکی AC منتشر شده توسط مقامات برق چین توصیه شده است.

با این حال، تحقیقات گسترده و تجربیات میدانی نشان می‌دهند که حتی با وجود تنها نصب بازوک در سمت فشار قوی، خرابی‌های ترانسفورماتور تحت ضربه‌های ناشی از صاعقه همچنان رخ می‌دهد. در مناطق معمولی، نرخ سالانه خرابی حدود 1% است؛ در مناطق با صاعقه شدید، این مقدار می‌تواند به حدود 5% برسد؛ و در مناطق بسیار شدید طوفان (به عنوان مثال مناطقی با بیش از 100 روز طوفان در سال)، نرخ سالانه خرابی ممکن است به حدود 50% افزایش یابد. علت اصلی، ایجاد اضافه ولتاژهای گذرا در جهت رو به جلو و معکوس هنگامی است که ضربه صاعقه به سیم‌پیچ فشار قوی نفوذ می‌کند.

• اضافه ولتاژ تبدیل معکوس:
  هنگامی که یک ضربه صاعقه (3–10 kV) به سمت فشار قوی نفوذ می‌کند، بازوک تخلیه می‌شود و جریان ضربه‌ای شدیدی از طریق مقاومت زمین عبور می‌کند و باعث افت ولتاژ می‌شود. این ولتاژ، پتانسیل نقطه نوترال فشار ضعیف را افزایش می‌دهد. اگر خط فشار ضعیف بلند باشد، رفتاری شبیه به امپدانس موج نسبت به زمین دارد. در نتیجه، جریان ضربه‌ای شدیدی از طریق سیم‌پیچ فشار ضعیف عبور می‌کند. از آنجا که جریان‌های سه فاز فشار ضعیف از نظر اندازه و جهت برابر هستند، شار مغناطیسی قوی صفر-ترتیبی تولید می‌کنند که از طریق نسبت دور ترانسفورماتور، ولتاژ گذرای بسیار بالایی را در سیم‌پیچ فشار قوی القا می‌کند. از آنجا که سیم‌پیچ فشار قوی به صورت ستاره با نقطه نوترال غیر زمین‌شده متصل است، هیچ جریان ضربه‌ای گردشی در سمت فشار قوی وجود ندارد تا شار را خنثی کند. بنابراین، کل جریان ضربه‌ای فشار ضعیف به عنوان جریان مغناطیس‌کننده عمل می‌کند و ولتاژ القایی بالایی در نقطه نوترال فشار قوی ایجاد می‌کند—جایی که عایق‌بندی آسیب‌پذیرترین است. علاوه بر این، گرادیان‌های ولتاژ بین دورها و لایه‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابند و خطر شکست عایق در نقاط دیگر را افزایش می‌دهند. این پدیده—که با ضربه در سمت فشار قوی آغاز می‌شود اما از طریق اتصال الکترومغناطیسی فشار ضعیف باعث ایجاد اضافه ولتاژ می‌شود—به عنوان تبدیل معکوس شناخته می‌شود.
• اضافه ولتاژ تبدیل مستقیم:
  هنگامی که ضربه صاعقه از طریق خط فشار ضعیف وارد می‌شود، جریان ضربه‌ای از طریق سیم‌پیچ فشار ضعیف عبور کرده و ولتاژ بالایی را در سیم‌پیچ فشار قوی از طریق نسبت دور القا می‌کند. این امر پتانسیل نقطه نوترال فشار قوی را به شدت افزایش داده و گرادیان‌های ولتاژ بین لایه‌ها و دورها را افزایش می‌دهد. این فرآیند—که در آن ضربه سمت فشار ضعیف باعث ایجاد اضافه ولتاژ در سمت فشار قوی می‌شود—تبدیل مستقیم نامیده می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که با ضربه 10 kV در سمت فشار ضعیف و مقاومت زمین 5 Ω، گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها در سیم‌پیچ فشار قوی می‌تواند بیش از 100% از استحکام تحمل ضربه موج کامل ترانسفورماتور تجاوز کند و به طور اجتناب‌ناپذیری باعث شکست عایق می‌شود.

1.2 نصب بازوک‌های شیری معمولی یا بازوک‌های اکسید فلزی در سمت فشار ضعیف.
در این پیکربندی، هادی‌های زمین بازوک‌های فشار قوی و فشار ضعیف، نقطه نوترال فشار ضعیف و مخزن ترانسفورماتور همگی به هم متصل شده و به زمین وصل می‌شوند (که اغلب به آن "اتصال چهار نقطه‌ای" یا "اتصال سه‌گانه" گفته می‌شود).

داده‌های میدانی و مطالعات آزمایشگاهی تأیید می‌کنند که حتی برای ترانسفورماتورهایی با عایق‌بندی خوب، تنها نصب بازوک در سمت فشار قوی نمی‌تواند از آسیب ناشی از اضافه ولتاژهای تبدیل مستقیم یا معکوس جلوگیری کند. بازوک‌های فشار قوی در برابر این انتقالات داخلی ایجاد شده هیچ حفاظتی ارائه نمی‌دهند. گرادیان‌های ولتاژ ناشی شده بین لایه‌ها و دورها متناسب با تعداد دورها بوده و به هندسه سیم‌پیچ بستگی دارند—خرابی می‌تواند در ابتدای، میانه یا انتهای سیم‌پیچ رخ دهد، اما انتهای ترمینال آسیب‌پذیرترین قسمت است. افزودن بازوک‌های سمت فشار ضعیف به طور مؤثر از اضافه ولتاژهای تبدیل مستقیم و معکوس جلوگیری می‌کند.

1.3 زمین‌کردن جداگانه برای سمت فشار قوی و فشار ضعیف.
در این روش، بازوک فشار قوی به صورت مستقل به زمین وصل می‌شود، در حالی که نقطه نوترال فشار ضعیف و مخزن ترانسفورماتور به هم متصل شده و به صورت جداگانه (بدون بازوک فشار ضعیف) به زمین وصل می‌شوند.

تحقیقات نشان می‌دهند که این روش با استفاده از تضعیف زمین، تقریباً اضافه ولتاژ تبدیل معکوس را حذف می‌کند. برای تبدیل مستقیم، محاسبات نشان می‌دهند که کاهش مقاومت زمین فشار ضعیف از 10 Ω به 2.5 Ω می‌تواند اضافه ولتاژ سمت فشار قوی را حدود 40% کاهش دهد. با انجام صحیح تREATMENT سیستم زمین‌کردن فشار ضعیف، اضافه ولتاژ تبدیل مستقیم می‌تواند به طور مؤثر کاهش یابد. این راه‌حل ساده و کم‌هزینه است، هرچند به مقاومت زمین‌کردن پایین در سمت فشار ضعیف نیاز دارد و ارزش عملی قابل توجهی دارد.

علاوه بر موارد فوق، اقدامات دیگر شامل نصب سیم‌پیچ تعادل روی هسته ترانسفورماتور برای سرکوب اضافه ولتاژهای تبدیل یا جاسازی واریستورهای اکسید فلزی (MOVs) در داخل ترانسفورماتور است.

2. کاربرد اقدامات حفاظتی در برابر صاعقه

تحلیل فوق نشان می‌دهد که هر روش حفاظتی ویژگی‌های متمایزی دارد. مناطق باید استراتژی‌های مناسبی را بر اساس شدت طوفان محلی (اندازه‌گیری شده بر حسب تعداد روزهای طوفان در سال) انتخاب کنند:

• مناطق پرتو نور کم (مانند دشت‌ها):فقط سیم‌کشی ضدعفونی در سمت فشار بالا به دلیل نرخ شکست سالانه کم کافی است.
• مناطق پرتو نور متوسط:نصب سیم‌کشی ضدعفونی در هر دو سمت فشار بالا و پایین.
• مناطق پرتو نور زیاد:اقدامات تکی غالباً کافی نیستند. توصیه می‌شود رویکرد جامعی اتخاذ شود: سیم‌کشی ضدعفونی فشار بالا با زمین‌گیری مستقل، به علاوه سیم‌کشی ضدعفونی متصل به فشار پایین، فشار پایین خنثی و ظرف متصل به سیستم زمین‌گیری جداگانه.
• منطقه‌های بسیار شدید پرتو نور (به ویژه جایی که نرخ شکست سالانه به رغم اقدامات جامع بالاست):پس از ارزیابی فنی و اقتصادی، راه‌حل‌های پیشرفته مانند پیچش‌های متعادل‌کننده نصب شده در هسته (یعنی ترانسفورماتورهای مقاوم در برابر پرتو نور نوع جدید) یا نصب سیم‌کشی‌های ضدعفونی اکسید فلزی داخلی را در نظر بگیرید.

۳. نتیجه‌گیری

روش‌های محافظت از پرتو نور برای ترانسفورماتورهای توزیع متنوع هستند و شرایط محلی در مناطق مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. با انتخاب طرح‌های محافظت بر اساس شرایط محلی و تقویت مدیریت عملیاتی، شرکت‌های توزیع می‌توانند مقاومت و قابلیت اطمینان ترانسفورماتورهای توزیع در برابر پرتو نور را به طور قابل توجهی بهبود بخشند.